DE2909148A1 - Verfahren zur verbesserung der zugfestigkeitseigenschaften von basaltfasern - Google Patents

Verfahren zur verbesserung der zugfestigkeitseigenschaften von basaltfasern

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DE2909148A1 DE19792909148 DE2909148A DE2909148A1 DE 2909148 A1 DE2909148 A1 DE 2909148A1 DE 19792909148 DE19792909148 DE 19792909148 DE 2909148 A DE2909148 A DE 2909148A DE 2909148 A1 DE2909148 A1 DE 2909148A1
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Description

Washington State university Case 864 899
2909U8
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Zugfestigkeit von aus geschmolzenem Basaltgestein gezogenen Fasern gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Basaltgestein enthält Eisenverbindungen, darunter erhebliche Mengen von Eisen(II)-oxid (FeO) und Eisen(III)-oxid (Fe2O-). Typische Basaltgesteinproben enthalten etwa 2 % Eisen(III)-oxid und 9 bis 12 % Eisen(II)-oxid. Wenn das Basaltgestein jedoch unter normalen Bedingungen in einem Elektroofen geschmolzen und anschließend durch ein Platinmundstück gezogen wird, wird ein erheblicher Anteil des Eisen(II)-oxids oxidiert, wodurch das Verhältnis von Eisen(III)-oxid zu Eisen(II)-oxid gegenüber dem Verhältnis erhöht wird, das in dem Ursprunglieh eingesetzten Gestein vorliegt. Es hat sich nunmehr gezeigt, daß man dann, wenn man diese Oxidation derart unter Kontrolle hält, daß das Verhältnis von Eisen(III)-oxid zu Eisen(II)-oxid in den gebildeten Fasern einen minimalen Wert annimmt (oder umgekehrt, daß das Verhältnis von Eisen(II)-oxid zu Eisen(III)-oxid zunimmt}/ man Fasern erhält, die eine in vorteilhafter Weise erhöhte Zugfestigkeit besitzen.
Die Verbesserung der Zugfestigkeit der Fasern kann in verschiedenartiger Weise erfolgen. So kann die Reduktion des gebildeten dreiwertigen Eisens in einem Induktionsofen dadurch erreicht werden, daß man der Schmelze Zucker, Graphit oder andere Kohlenstoffquellen zusetzt. Man kann den Kohlenstoff auch dadurch zuführen, daß man einen Graphittiegel oder einen mit einer Graphitauskleidung versehenen Tiegel als Gefäß verwendet, in dem die Basaltgesteinskörnchen geschmolzen werden.
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Diese Kohlenstoffquellen ergeben beim Erhitzen in der Schmelze Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid. Beide Substanzen sind gasförmig und stellen entweder reduzierende oder inerte Mittel dar, die innig mit der Schmelz vermischt sind und die reduzierende oder inerte Atmosphäre ergeben, die dazu erforderlich ist, die normalerweise ablaufende Oxidation der zweiwertigen Eisenbestandteile zu verhindern.
Gegenstand der Erfindung ist daher das Verfahren gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3.
Während der Herstellung der Fasern erfolgt normalerweise eine zusätzliche Oxidation der in der Schmelze vorhandenen Eisen(II)-Verbindungen. Wenn man durch die An-Wendung einer inerten Atmosphäre, wie einer Stickstoffatmosphäre, oder einer reduzierenden Atmosphäre, wie einer Kohlenmonoxidatmosphäre, diese Oxidation verhindert oder sogar eine Reduktion bewirkt, erhält man Fasern mit einer wesentlich verbesserten Festigkeit.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch das Verfahren gemäß Anspruch 4.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe eines Reduktionsmittels zu dem geschmolzenen Basaltgestein bzw. durch die erfindungsgemäße Führung des ZiehVorgangs in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre wird die Oxidation des in dem Basaltgestein enthaltenen Eisen(II)-oxids während des SchmelzVorgangs auf einem Minimum gehalten, wodurch es in überraschender Weise gelingt, die Zugfestigkeit der gezogenen Fasern zu erhöhen.
Somit wird erfindungsgemäß die Festigkeit der Basaltfa-
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sern dadurch gesteigert, daß man den Gehalt an dreiwertigern Eisen in den letztendlich gebildeten Fasern auf einen Wert vermindert, der unterhalb des: Wertes liegt, der in den Pasern vorliegen würde, die man unter normalen atmosphärischen Bedingungen oder unter üblichen Betriebsbedingungen gezogen hat. Dies wird dadurch erreicht, daß man entweder ein Reduktionsmittel zu der Schmelze zugibt oder die Fasern in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre zieht oder schließlich beide Methoden kombiniert.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Man schmilzt eine Probe von Basaltgestein mit einem Anfangsgehalt von 2,1 % Eisen(III)-oxid und 11,5 % Eisen (II)-oxid unter normalen Bedingungen in einem Keramiktiegel und zieht Fasern mit identischem Durchmesser, wobei man die Fasern an der Luft oder unter einer Stickstof f atmosphäre zieht, die dazu verwendet wird, die Qxi- dation des zweiwertigen Eisens zu verhindern. Diese Versuche werden mehrfach wiederholt und sind in der nachstehenden Tabelle I zusammengefaßt. Die Proben 1 und 2 wurden an der Luft gezogen, so daß eine unkontrollierte Oxidation des zweiwertigen Eisens erfolgt. Die Probe wurde unter einer Stickstoffatmosphäre gezogen, um die Oxidation des zweiwertigen Eisens zu verhindern. Es ist ohne weiteres die deutliche Verbesserung der Festigkeit der erfindungsgemäß behandelten Basaltfasern ersichtlich.
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Tabelle I
Probe FeO-Gehalt Fe3O -Gehalt Ziehtemperatur Zugfesti gkeit
(%> (%) (0C) (GPa)
1 5,7 8,5 1250 1,72
1325 1,93
1370 2,09
2 7,1 7,0 1250 2,14
6,8 7,3 1325 2,42
3 9,8 4,0 1250 2,84
9,5 4,3 1325 3,07
9,2 4,7 1370 3,17
Beispiel 2
Untersuchungen haben gezeigt, daß die Menge des zweiwertigen Eisens in den fertig gezogenen Fasern dadurch erhöht werden kann, daß man einen Kohlenstoffstab während der Faserherstellung in den geschmolzenen Basalt einbringt, oder indem man der Schmelas 2 % Stärke zusetzt. Bei typischen an der Luft hergestellten Basaltfasern beträgt der in den Fasern bestimmte Gehalt an Eisen(II)-oxid 5,7 %. Wenn man Fasern in identischer Weise herstellt, jedoch der Schmelze 2 % Stärke zusetzt, erhält man Fasern mit einem Eisen{II)~oxid-Gehalt von 8,5 %. Wenn man die Fasern in identischer Weise herstellt, jedoch einen Kohlenstoffstab in die Schmelze einbringt, so erhält man Fasern mit einem Eisen(II)-oxid-Gehalt von 10,7 %. Es hat sich gezeigt, daß die Zugfestigkeit der erhaltenen Fasern mit zunehmendem Prozentsatz des Eisen(II)-oxid-Gehalts in der Faser zunimmt.
Beispiel
Man bereitet Basaltfasern aus 4 zusätzlichen Basalten, wobei die Fasern jeweils eine Steigerung der Zugfestig-
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Washington State Iftiiversity Case Sr>4
keit mit zunehmendem Prozentsatz an zweiwertigem Eisen zeigen. Die chemische Analyse der eingesetzten Basalte ist in der nachstehenden Tabelle II angegeben:
Tabelle II
X-6 K-9048 K-9017 0-2
SiO2 49,10 50,48 53,61 50,50
al2°3 13,80 5,18 5,14 16,00
TiO2 3,16 1,69 1,84 2,17
Fe2O3 2,10 3,20 3,31 2,96
FeO 11,50 7,51 8,34 10,22
MnO 0,21 0,19 0,18 -
CaO 9,43 10,62 8,43 10,00
MgO 5,25 6,49 4,98 4,30
K 1,26 0,80 1,14 0,35
Na2O 3,09 2,62 2,73 3,20
P2°5 0,68 0,33 0,35 -
Die in der obigen Tabelle II angegebenen Basalte wurden geschmolzen und zu Pasern gezogen, wobei sich unterschiedliche Verhältnisse von Eisen(II)-oxid zu Eisen(III)-oxid in den gebildeten Pasern ergeben, die in der nachstehenden Tabelle III angegeben sind.
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Tabelle III
FeO-Gehalt Fe O -Gehalt Ziehtemperatur Zugfestigkeit
(%) {%) (0C) (GPa)
X-6 9,1 5,2 1300 3,22
8,3 6,1 1300 2,98
6,8 7,3 1325 2,42
5,7 8,5 1325 1,93
K-9048 6,5 4,6 1300 3,11
5,5 5,4 1300 2,40
K-9017 7,8 3,9 1350 3,16
7,3 4,5 1350 2,06
0-2 8,6 4,6 1300 3,13
5,5 8,1 1300 2,40
Wie aus der obigen Tabelle III zu ersehen ist, nimmt die Zugfestigkeit der Fasern mit zunehmendem Gehalt an Eisen(II)-oxid zu.
Die erfindungsgemäß gebildeten Basaltfasern mit erhöhter Zugfestigkeit ermöglichen eine verbesserte industrielle Anwendung eines leicht zugänglichen Rohstoffs. Im allgemeinen besitzen Stapelfasern aus leicht zugänglichen Mineralien erhebliche industrielle Bedeutung, wenn ihre mechanischen Eigenschaften angemessen sind. Basalt stellt einen grundlegenden und unerschöpflichen natürlichen Rohstoff dar. Es ist lediglich elektrische Energie dazu erforderlich, das Gestein zu schmelzen und die Fasern zu ziehen, wobei diese Verfahrensweisen jedoch ökologisch sauber sind. Erfindungsgemäß wird es somit möglich, den Anwendungsbereich von Basaltfasern auf Anwendungszwecke, beispielsweise als Verstärkungsmaterial, zu erweitern, für die diese Fasern bislang wegen ihrer unzureichen-
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mm Q — -
den Zugfestigkeit nicht geeignet waren.
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Claims (4)

  1. Patentanwälte Dipping. H-Weickmann, Dipl-Phys. Dr. K. Fincke
    Dipl.-Ing. R A-1Weιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. -Ing. H. Li ska ' - - -
    8 MÜNCHEN 86, DEN - g piäfZ 1979
    POSTFACH 860 820
    MÖHLSTRÄSSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22
    HtM/ei
    Case: 884 899
    WASHINGTON STATE UNIVERSITY RESEARCH FOUNDATION, INC.
    C. Clement French Administration Building Pullman, Washington 99163, U. S. A.
    Verfahren zur Verbesserung der Zugfestigkeitseigenschaften von Basaltfasern ·
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zur Verbesserung der Zugfestigkeitseigenschaften von aus natürlichem Basaltgestein, das sowohl Eisen(II)-oxid als auch Eisen(III)-oxid enthält, gebildeten Basaltfasern, dadurch gekennzeichnet, daß man das Basaltgestein auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts erhitzt, währenddem man der Schmelze ein Reduktionsmittel zusetzt, und das geschmolzene Basaltgestein zur Bildung
    909838/077*
    Washington State university Case £84 899
    der Pasern durch eine Düse mit geringem Durchmesser zieht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man die Zugabe des Reduktionsmittels zu der Schmelze dadurch bewirkt, daß man das Basaltgestein in einem Graphitgefäß oder einem mit Graphit ausgekleideten Gefäß schmilzt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Zugabe des Reduktionsmittels durch Zugabe einer Kohlenstoffquelle, wie Zucker, während des Schmelzens des Basaltgesteins bewirkt.
  4. 4. Verfahren zur Verbesserung der Zugfestigkeitseigenschäften von aus natürlichem Basaltgestein, das sowohl Eisen(II)-oxid als auch Eisen(III)-oxid enthält, gebildeten Basaltfasern, dadurch gekennzeichnet , daß man das Basaltgestein auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktserhitzt und zur Bildung der Fasern durch eine Düse mit geringem Durchmesser zieht, währenddem man das geschmolzene Basaltgestein und die Düse in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre hält.
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